(57)【要約】【課題】  水平軸風車のロータに吹き付ける風の「吹上角」の計測を、低コストで高い信頼性をもって実現させることにより、発電量の予測精度の向上を図る。【解決手段】  ロータの風上側に配置された水平板７と、水平板７の風上側で上方に配置された第１風速計６と、水平板７の下方に配置された第２風速計８と、第１風速計６及び第２風速計８で計測した風速から求めた風速差又は風速比に基づいて吹上角を計測する吹上角計測手段と、を備える水平軸風車である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ回転中心部分の風上側に配置された水平板と、
前記水平板の風上側上方に配置された第１風速計と、
前記水平板の下方に配置された第２風速計と、
前記第１風速計及び前記第２風速計で計測した風速から求めた風速差又は風速比に基づいて吹上角を計測する吹上角計測手段と、を備えることを特徴とする水平軸風車。
【請求項２】
前記吹上角計測手段は、
前記第１風速計及び前記第２風速計で計測した風速から風速差を算出する風速差算出手段と、
風速差と吹上角との相関関係を示す風速差相関データを記録する記録手段と、
前記風速差算出手段により算出した風速差と、前記記録手段に記録した前記風速差相関データと、を用いて吹上角を推算する吹上角推算手段と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車。
【請求項３】
前記吹上角計測手段は、
前記第１風速計及び前記第２風速計で計測した風速から風速比を算出する風速比算出手段と、
風速比と吹上角との相関関係を示す風速比相関データを記録する記録手段と、
前記風速比算出手段により算出した風速比と、前記記録手段に記録した前記風速比相関データと、を用いて吹上角を推算する吹上角推算手段と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の水平軸風車を用いた吹上角計測方法において、
前記第１風速計で風速を計測する第１風速計測工程と、
前記第２風速計で風速を計測する第２風速計測工程と、
前記第１風速計測工程で計測した風速と前記第２風速計測工程で計測した風速とから風速差を算出する風速差算出工程と、
風速差と吹上角との相関関係を示すデータと、前記風速差算出工程で算出した風速差と、を用いて吹上角を推算する吹上角推算工程と、
を備えることを特徴とする吹上角計測方法。
【請求項５】
請求項１又は３に記載の水平軸風車を用いた吹上角計測方法において、
前記第１風速計で風速を計測する第１風速計測工程と、
前記第２風速計で風速を計測する第２風速計測工程と、
前記第１風速計測工程で計測した風速と前記第２風速計測工程で計測した風速とから風速比を算出する風速比算出工程と、
風速比と吹上角との相関関係を示すデータと、前記風速比算出工程で算出した風速比と、を用いて吹上角を推算する吹上角推算工程と、
を備えることを特徴とする吹上角計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平軸風車及び吹上角計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然風から電力を得る目的で水平軸風車が実用化されている。この水平軸風車の性能は、一般的に、ハブ風速（水平軸風車のロータ回転中心部分における風速）と出力（発電量）との関係を表す出力曲線で示されている。売電事業の採算性に直結する発電量は、この出力曲線と、事前に観測・シミュレーションにより予測されたハブ風速と、に基づいて予測されることとなる。
【０００３】
ところで、国内の風力発電システムは地形が複雑な地点に設置される場合が多く、かかる地形においては、地表からの高さだけでなく位置によっても風速が変化することに加え、吹上風が多く発生する。一般に、ロータが風から受けるエネルギは、風速の水平成分ではなくロータ面に垂直な成分に依存するため、このような吹上風が発生した場合には、風速の水平成分が同一でも発電量が変動してしまう。従って、発電量の予測精度を向上させるためには、「吹上角」を考慮した３次元の風速を計測する必要がある。
【０００４】
「吹上角」を考慮した３次元の風速を計測するための従来の技術としては、３次元超音波風速計（例えば、非特許文献１参照。）やピトー管が提案されている。
【非特許文献１】株式会社カイジョー、"計測制御システム事業−気象計測機器”、［online］、1997年、株式会社カイジョー、［平成15年7月3日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.kaijo.co.jp/keisi/int/inta0100.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１に記載された３次元超音波風速計は高価でしかも大型であるという問題がある。また、水平軸風車のハブ風速を計測するための風速計には、比較的過酷な環境下でも長期間メンテナンスなしで耐え得る耐久性が必要であるところ、３次元超音波風速計やピトー管はそのような使用環境を想定して製作したものではないので耐久性に疑問があり、信頼性に欠けるという問題があった。
【０００６】
本発明の課題は、水平軸風車のロータに吹き付ける風の「吹上角」の計測を、低コストで高い信頼性をもって実現させることにより、発電量の予測精度の向上を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、水平軸風車であって、ロータ回転中心部分の風上側に配置された水平板と、前記水平板の風上側上方に配置された第１風速計と、前記水平板の下方に配置された第２風速計と、前記第１風速計及び前記第２風速計で計測した風速から求めた風速差又は風速比に基づいて吹上角を計測する吹上角計測手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、ロータ回転中心部分（ハブ）の風上側に水平板が配置されている。そして、水平板の影響を受け難い水平板の風上側上方に第１風速計が配置され、水平板の下方に第２風速計が配置される。このため、ハブに吹上げ風（吹上角が正の風）が吹いた場合には、水平板の影響により、第２風速計で計測される風速が第１風速計で計測される風速よりも高くなる。一方、ハブに吹下ろし風（吹上角が負の風）が吹いた
場合には、水平板の影響により、第２風速計で計測される風速が第１風速計で計測される風速よりも低くなる。すなわち、第１風速計で計測された風速と第２風速計で計測された風速との差（又は比）と、吹上角と、の間に一定の相関関係が成立する。
【０００９】
このような相関関係を利用することにより、第１風速計及び第２風速計で計測した風速から求めた風速差（又は風速比）に基づいて吹上角計測手段で吹上角を計測することができる。この結果、高価な装置を用いることなく、低コストで高い信頼性をもって吹上角を継続的に計測することができる。また、２つの風速計を採用しているため、何れか一方の風速計が故障した場合においても、他方の風速計で、制御に必要な風速を計測することができる。この結果、風速計自体の冗長性を確保し、風車の停止時間を短縮するとともに、風車の停止時間における発電量損失を低減させることができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸風車において、前記吹上角計測手段は、前記第１風速計及び前記第２風速計で計測した風速から風速差を算出する風速差算出手段と、風速差と吹上角との相関関係を示す風速差相関データを記録する記録手段と、前記風速差算出手段により算出した風速差と、前記記録手段に記録した前記風速差相関データと、を用いて吹上角を推算する吹上角推算手段と、を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸風車において、前記吹上角計測手段は、前記第１風速計及び前記第２風速計で計測した風速から風速比を算出する風速比算出手段と、風速比と吹上角との相関関係を示す風速比相関データを記録する記録手段と、前記風速比算出手段により算出した風速比と、前記記録手段に記録した前記風速比相関データと、を用いて吹上角を推算する吹上角推算手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の水平軸風車を用いた吹上角計測方法において、前記第１風速計で風速を計測する第１風速計測工程と、前記第２風速計で風速を計測する第２風速計測工程と、前記第１風速計測工程で計測した風速と前記第２風速計測工程で計測した風速とから風速差を算出する風速差算出工程と、風速差と吹上角との相関関係を示すデータと、前記風速差算出工程で算出した風速差と、を用いて吹上角を推算する吹上角推算工程と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１又は３に記載の水平軸風車を用いた吹上角計測方法において、前記第１風速計で風速を計測する第１風速計測工程と、前記第２風速計で風速を計測する第２風速計測工程と、前記第１風速計測工程で計測した風速と前記第２風速計測工程で計測した風速とから風速比を算出する風速比算出工程と、風速比と吹上角との相関関係を示すデータと、前記風速比算出工程で算出した風速比と、を用いて吹上角を推算する吹上角推算工程と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項２又は４に記載の発明によれば、第１風速計及び第２風速計で計測した風速に基づいて風速差を算出し、この算出した風速差と、風速差と吹上角との相関関係を示す風速差相関データと、を用いて、吹上角を推算（計測）することができる。
【００１５】
請求項３又は５に記載の発明によれば、第１風速計及び第２風速計で計測した風速に基づいて風速比を算出し、この算出した風速比と、風速比と吹上角との相関関係を示す風速比相関データと、を用いて、吹上角を推算（計測）することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、水平板を挟んで上下に配置された２つの風速計（第１風速計及び第２風速計）を備えるので、これら２つの風速計で計測した風速から求めた風速差又は風速比に基づいて、低コストで高い信頼性をもって「吹上角」を計測することができ、発電量の
予測精度向上に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。なお、本実施の形態においては、水平軸風車の例として、図１に示したダウンウィンド型の水平軸風車１を採用している。
【００１８】
まず、本実施の形態に係る水平軸風車１の構成について説明する。水平軸風車１は、図１及び図２に示すように、タワー２、このタワー２の頂部に取り付けられたナセル３、このナセル３に略水平方向に延在して軸支された（図示されていない）主軸、この主軸に取り付けられたロータ４、ナセル３の風上側に所定長突出させて設けられたブーム５、ブーム５の風上側先端部分の上側に回転軸を略鉛直方向に向けて取り付けられた第１風速計６、ブーム５の長手方向略中央部及び幅方向略中央部に設けられた水平板７、ブーム５の水平板７の下方部分に回転軸を略鉛直方向に向けて取り付けられた第２風速計８、水平軸風車１全体を統合制御する（図示されていない）制御装置、等を備えて構成されている。
【００１９】
ブーム５は、第１風速計６、水平板７及び第２風速計８をナセル３の風上側に配置するための細長い円筒状部材である（図１及び図２参照）。ブーム５の長さや直径は、水平軸風車１のナセル３の大きさや第１風速計６及び第２風速計８の重量に応じて適宜決めるものとする。ブーム５は、金属材料や合成樹脂等で製作することができる。
【００２０】
第１風速計６及び第２風速計８は、水平軸風車１のロータ回転中心部分に吹き付ける風を複数のカップが受けて回転し、その回転速度から風速を計測する回転型風速計である。第１風速計６及び第２風速計８の型式は特に限定されるものではなく、従来から用いられているもの（例えば、Vaisala社製の型式やThies社製の型式）を際限なく採用することができる。
【００２１】
水平板７は、吹上風（又は吹下ろし風）が吹いた場合に、第１風速計６で計測される風速の値と、第２風速計８で計測される風速の値と、に差を設けるための部材である。水平板７の厚さや面積は、ブーム５の長さや直径、第２風速計８やナセル３の大きさ、等に応じて適宜決めるものとする。水平板７は、金属材料や合成樹脂等で製作することができる。
【００２２】
制御装置は、所定のプログラムを実行することにより、第１風速計６で計測された風速と第２風速計８で計測された風速との差（以下、「風速差」という）又はこれら風速の比（以下、「風速比」という）の算出処理、風速差又は風速比と所定の相関データとを用いた吹上角推算処理、等を行う。
【００２３】
制御装置は、記録手段としての（図示されていない）メモリを備えている。メモリには、風速差及び風速比と吹上角との相関関係を示す相関データ（後述する風速差相関データ及び風速比相関データ）が記録されている。制御装置は、本発明における風速差算出手段、風速比算出手段、記録手段及び吹上角推算手段を有する吹上角計測手段として機能する。
【００２４】
次に、本実施の形態に係る水平軸風車１の第１風速計６及び第２風速計８で計測された風速の値と、吹上角と、の関係について、図３及び図４を用いて説明する。
【００２５】
水平軸風車１の第１風速計６と第２風速計８との間には水平板７が配置されているため、吹上げ風（又は吹下ろし風）が吹いた場合に、第１風速計６で計測される風速の値と、第２風速計８で計測される風速の値と、に差が設けられる。
【００２６】
具体的には、水平板７が第２風速計８の上方に配置されているため、ロータ４に吹上げ風（吹上角が正の風）が吹いた場合には、水平板７の影響により、第２風速計８で計測される風速は第１風速計６で計測される風速よりも高くなる。一方、ロータ４に吹下ろし風（吹上角が負の風）が吹いた場合には、水平板７の影響により、第２風速計８で計測される風速は第１風速計６で計測される風速よりも低くなる。
【００２７】
このため、第１風速計６で計測された風速と第２風速計８で計測された風速との差（風速差）又は比（風速比）と、吹上角と、の間に一定の相関関係が構築されることとなる。本実施の形態においては、風速差と吹上角との相関関係に係るデータ（風速差相関データ）、及び、風速比と吹上角との相関関係に係るデータ（風速比相関データ）を、風洞試験等の地上実験等により予め取得しておく。
【００２８】
風速差相関データとしては、図３に示した風速差と吹上角との相関関係を示すグラフを採用することができる。図３のグラフにおいては、縦軸に「風速」をとり、横軸に「吹上角（deg）」をとっている。なお、図３における縦軸の「風速」の値は、風車前方の一様流の流速に対する計測値の比（無次元値）である。
【００２９】
なお、ここでは一様流の流速と計測値との比が用いられているが、実際の風車では一様流の流速は計測困難であるので、前方側の第１風速計６の計測値を一様流の流速の代わりに使用することもできる。かかる場合には、図３の曲線Ｉは「風速＝１」の直線となる。また、図３の曲線II及び曲線IIIは、吹上角「０deg」における風速は変わらず、吹上角「０deg」以外における風速が図３に示した値より大きい曲線となる。
【００３０】
図３の曲線Iは、吹上角「−１５deg」、「０deg」、「１５deg」、「３０deg」において第１風速計６で計測された風速の値をグラフ上に点でプロットし、これらの点を近似曲線で結んだものである。第１風速計６で計測される風速の値は、吹上角「−１５deg〜１５deg」の範囲においてはほぼ一定であるが、吹上角が「１５deg」を超えると、吹上角の増加に伴って徐々に低下している（図３参照）。吹上角の増加に伴って風速の水平成分が低下するからである。
【００３１】
図３の曲線IIは、吹上角「−１５deg」、「０deg」、「１５deg」、「３０deg」において第２風速計８で計測された風速の値をグラフ上に点でプロットし、これらの点を近似曲線で結んだものである。第２風速計８で計測される風速の値は、吹上角が負の場合（すなわち吹下ろし風の場合）において、第１風速計６で計測される風速よりも低くなっている（図３参照）。水平板７によって吹下ろし風が遮られるからである。一方、第２風速計８で計測される風速の値は、吹上角が「１５deg」を超えてもほとんど低下していない（図３参照）。水平板７によって、吹上風が水平風に変化するからである。
【００３２】
図３の曲線IIIは、吹上角「−１５deg」、「０deg」、「１５deg」、「３０deg」において第２風速計８で計測された風速の値から、第１風速計６で計測された風速の値を減じた値（風速差）をグラフ上に点でプロットし、これらの点を近似曲線で結んだものである。この曲線IIIにより、風速差と吹上角の大きさとが対応付けられることとなるため、第１風速計６及び第２風速計８で風速を計測して算出した風速差と、曲線IIIと、を用いて吹上角を推算することができる。例えば、風速差が「０ｍ／ｓ」の場合には、吹上角は「約１０deg」と推算される（図３参照）。
【００３３】
風速比相関データとしては、図４に示した風速比と吹上角との相関関係を示すグラフを採用することができる。図４のグラフにおいては、縦軸に「風速」をとり、横軸に「吹上角（deg）」をとっている。なお、図４における縦軸の「風速」の値は、一様流に対する
比（無次元値）である。また、図４の曲線I及び曲線IIは、図３の曲線I及び曲線IIと同一である（縦軸の縮尺のみ変更）。
【００３４】
図４の曲線IVは、吹上角「−１５deg」、「０deg」、「１５deg」、「３０deg」において第２風速計８で計測された風速の値を、第１風速計６で計測された風速の値で除した値（風速比）をグラフ上に点でプロットし、これらの点を近似曲線で結んだものである。この曲線IVにより、風速比と吹上角の大きさとが対応付けられることとなるため、第１風速計６及び第２風速計８で風速を計測して算出した風速比と、曲線IVと、を用いて吹上角を推算することができる。例えば、風速比が「１」の場合には、吹上角は「約１０deg」と推算される（図４参照）。
【００３５】
続いて、本実施の形態に係る水平軸風車１を用いた吹上角計測方法について説明する。
【００３６】
まず、水平軸風車１のブーム５の風上側先端部分に上向きに取り付けられた第１風速計６により、風速を計測する（第１風速計測工程）。同時に、ブーム５の水平板７の下方部分に下向きに取り付けられた第２風速計８により、風速を計測する（第２風速計測工程）。次いで、水平軸風車１の制御装置は、第１風速計６及び第２風速計８で計測した風速の差（風速差）を算出する（風速差算出工程）。続いて、制御装置は、メモリに記録された風速差と吹上角との相関関係を示すグラフ（図３参照）の曲線IIIと、風速差算出工程で算出した風速差と、を用いて吹上角を推算する（吹上角推算工程）。
【００３７】
なお、風速差算出工程に代えて、第１風速計６及び第２風速計８で計測した風速の比（風速比）を算出することもできる（風速比算出工程）。かかる場合には、制御装置は、メモリに記録された風速比と吹上角との相関関係を示すグラフ（図４参照）の曲線IVと、風速比算出工程で算出した風速比と、を用いて吹上角を推算する（吹上角推算工程）。
【００３８】
以上説明した実施の形態に係る水平軸風車１においては、ロータ４の回転中心部分（ハブ）の風上側に水平板７が配置されている。そして、水平板７の影響を受け難い水平板７の風上側上方に第１風速計６が配置され、水平板７の下方に第２風速計８が配置される。
【００３９】
このため、ロータ４に吹上げ風（吹上角が正の風）が吹いた場合には、水平板７の影響により、第２風速計８で計測される風速が第１風速計７で計測される風速よりも高くなる（図３参照）。一方、ロータ４に吹下ろし風（吹上角が負の風）が吹いた場合には、水平板７の影響により、第２風速計８で計測される風速が第１風速計６で計測される風速よりも低くなる（図３参照）。この結果、第１風速計６及び第２風速計８で計測された風速の差（風速差）又は比（風速比）と、吹上角と、の間に一定の相関関係が成立する。
【００４０】
このような相関関係を利用することにより、第１風速計６及び第２風速計８で計測した風速の差（又は比）に基づいて、制御装置で吹上角を計測（推算）することができる。この結果、高価な装置を用いることなく、低コストで高い信頼性をもって吹上角を継続的に計測することができる。
【００４１】
また、２つの風速計（第１風速計６及び第２風速計８）を採用しているため、何れか一方の風速計が故障した場合においても、他方の風速計で、制御に必要な風速を計測することができる。この結果、風速計自体の冗長性を確保し、風車の停止時間を短縮するとともに、風車の停止時間における発電量損失を低減させることができる。
【００４２】
なお、以上の実施の形態においては、第１風速計６及び第２風速計８として「回転型風速計」を採用した例を示したが、「風圧型風速計」、「熱線型風速計」、「超音波風速計」等を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態に係る水平軸風車の概略図である。
【図２】図１に示した水平軸風車の主要部の構成を説明するための斜視図である。
【図３】図１に示した水平軸風車のメモリに記録される風速差相関データ（風速差と吹上角との相関関係を示すグラフ）を示す図である。
【図４】図１に示した水平軸風車のメモリに記録される風速比相関データ（風速比と吹上角との相関関係を示すグラフ）を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１      水平軸風車
４      ロータ
６      第１風速計
７      水平板
８      第２風速計
【図１】
2005061963.tif 000003
【図２】
2005061963.tif 000004
【図３】
2005061963.tif 000005
【図４】
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